微波辅助Fenton处理中药废水影响因素

潘玉龙，兴 虹，吴丽红

(辽宁科技学院 生物医药与化学工程学院，辽宁 本溪，117004)

中医药具有千年的历史、完善的系统理论和显著的临床疗效，是中华文化的瑰宝，我国一直将中药产业作为国家的战略产业。随着中药行业的蓬勃发展，中药废水的处理也越发受到重视。中药废水含有木质纤维素、皂苷等较难被生物降解的物质，COD浓度高，色度高，处理难度较大。传统的物化、生物处理法存在药剂消耗量大、处理设施规模大、产生的污泥需要二次处理等问题〔1-2〕。探索高效、绿色环保的新型水处理技术是当前研究的热点。Fenton 法以羟基自由基为主要氧化剂与有机污染物发生反应，通过氧化破坏有机物的共轭结构使有机物得到降解，操作简单，常温常压下就能完成反应，反应速度快，二次污染少〔3〕。微波技术已有近90年的历史，技术成熟。微波穿透力强，可以迅速均匀加热反应体系，同时还具有诱导催化作用，近年在水处理领域得到应用〔4-5〕。文章研究微波辅助Fenton试剂降解中药废水，研究Fenton试剂投加量、微波功率、时间对处理效果的影响，为中药废水处理开辟新途径，为微波-Fenton技术在中药废水处理中的实际应用提供技术支持。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

自制模拟中药废水为实验用水样：将中药切碎混匀进行熬煮，得到浸提液。浸提液冷却后，用滤纸过滤，再将滤液稀释作为实验用水样。水样pH为7.14，色度180倍，COD为1 078 mg/L。

实验主要仪器设备：COD快速测定仪(江苏盛奥华环保科技有限公司)、pHS-2F数字酸度计(上海仪电科学仪器股份有限公司)、微波合成萃取反应仪(南京汇研微波系统工程有限公司)、电力搅拌器(常州普天仪器制造有限公司)。

实验用主要试剂：30%双氧水(H2O2)、硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、COD测定专用试剂C1、C2。

1.2 实验方法和各指标测定方法

取300 mL水样放入500 mL烧杯中，调整水样pH，向水样中加入FeSO4·7H2O、H2O2(Fe2+、H2O2加入量分别以每升水样投加的毫克数、mL数表示，分别记做mg/L、mL/L)，放入微波炉中，在一定功率下，边搅拌边辐照一定时间，拿出水样，用NaOH(5%)调整pH为8，终止反应，再静置沉淀30 min，取上清液测COD和色度，计算COD、色度去除率。

COD采用快速测定法，色度采用稀释倍数法〔6〕。

2 结果与讨论

2.1 H2O2投加量对COD、色度去除率的影响

水样加入盐酸，调整pH为4，Fe2+的投加量为200 mg/L，微波功率为160 W，微波辐照时间为60 s，在不同H2O2的投加量条件下，出水COD、色度变化情况如图1所示。

图1 H2O2投加量对COD、色度去除率影响

从曲线可以看出，随着H2O2投加量的增高，COD、色度去除率增大，在H2O2投加量为8 .00 mL/L时，COD和色度去除率达到最高，分别为78%和73%，出水COD值为238 mg/L，出水色度为48。再增大H2O2投加量，COD、色度去除率下降。这是因为增大H2O2的投加量，产生的·OH也增加，废水中的大量有机物被羟基自由基氧化，从而导致废水COD、色度去除率升高。但当H2O2投加量达到一定数值后，催化反应放出大量的热，使自身热解，抑制处理的效果；同时过氧化氢也可能和二价铁离子发生发应，使·OH的产生受到抑制〔7〕。考虑经济有效性因素，选取比较合适的H2O2浓度为8.00 mL/L。

2.2 Fe2+浓度对COD、色度去除率的影响

在H2O2的投加量为8.00 mL/L，pH为4，微波功率为160 W，微波辐照时间为60 s，改变FeSO4·7H2O的投加量，得到不同Fe2+投加量下的COD和色度去除效果，如图2所示。

图2 Fe2+浓度对COD、色度去除率的影响

当Fe2+投加量小时，废水的COD、色度去除率低，增大Fe2+投加量，色度、COD去除率迅速提高，当Fe2+投加量为200 mg/L时，COD、色度去除率达到最大，分别为79%和72%。再增大Fe2+投加量，COD、色度去除率迅速下降。发生这种现象的原因是：Fe2+在Fenton反应中起着催化作用，Fe2+量过低，催化效果小，羟基自由基·OH量少，有机物不能得到有效降解〔8〕。但当Fe2+量过大时，会过快产生羟基自由基，尚来不及与有机分子反应就已发生湮灭，使去除效率下降；Fe2+会消耗H2O2，导致出水COD、色度增高〔9〕。

2.3 pH对COD、色度去除率的影响

在H2O2的投加量为8.00 mL/L，Fe2+浓度为200 mg/L，微波功率为160 W，微波辐照时间为60 s条件下，用硫酸(2.0 mol/L)改变水样pH值，得到不同pH条件下的COD和色度去除效果，如图3所示。

图3 pH对COD、色度去除率的影响

由图3可知，当pH从3升至4时，COD、色度去除率呈上升趋势， COD去除率由77%升至78%，色度去除率由72%升至73%；继续升高pH，COD、色度去除率迅速下降。分析原因是在过酸情况下，部分有机物难以被氧化，且H2O2稳定性略微提高，减缓了·OH的产生；在强酸的条件下，会抑制 Fe2+的再生，从而影响了·OH自由基的生成。而当pH值>4时，随着pH的升高，H2O2的氧化还原电位降低，会抑制·OH的产生，同时溶液中的 Fe2+、Fe3+会生成氢氧化物沉淀，催化作用降低，不利于芬顿反应的进行〔10〕。

2.4 微波功率对COD、色度去除率的影响

在H2O2的投加量为8.00 mL/L，Fe2+的浓度为200 mg/L，pH值为4，微波辐照时间为60 s，改变微波功率，得到不同微波功率下的COD和色度去除效果，COD、色度变化情况如下图3.4所示。

图4 微波功率对COD、色度去除率影响

在功率比较低的情况下，由于体系温度上升缓慢导致分子不能够充分吸收能量，Fenton试剂在较短时间内被激发产生的·OH的量少，达不到良好的去除效果。Fenton反应体系的温度随着微波功率的提高而升温，导致分子能够吸收的能量增多，使反应的活化能得到大幅度的降低，使Fenton试剂在短时间内迅速的被激发产生·OH，提升催化反应体系氧化的能力。但当微波功率太大以后，由于将部分H2O2挥发分解成O2和H2O，这导致不容易生成·OH，所以会使COD和色度的去除率增加较慢〔11〕，综合考虑反应速率和节约能源因素，确定微波功率160 W为最佳值。

2.5 单独Fenton试剂和微波辅助处理效果对比

取2组各装有300 mL水样的烧杯，调整水样pH为4，Fe2+加入量200 mg/L、H2O2加入量8.00 mL/L，分别置于室温反应和微波条件下(微波功率为160 w)反应不同时间，取上清液测COD、色度，计算去除率，结果如果图5所示。

图5 微波辅助Fenton与单独Fenton处理效果对比

实验表明，同等药剂投加量下，微波能显著加快Fenton试剂处理中药废水的反应速度，微波条件下用1.0 min，COD、色度去除率就分别达到了78%、73%，再加长时间，去除率变化较小。而单独Fenton法，30 min后才完成反应，COD、色度去除率分别为64%、55%。这说明微波辅助Fenton试剂处理中药废水耗时短，去除效果好。

3 结论

用微波辅助Fenton试剂处理COD为1 078 mg/L，色度为180倍的中药废水，确定的最佳反应条件为：pH=4，Fe2+投加量为200 mg/L，H2O2投加量为8 mL，微波功率160 w，辐照时间60 s。出水的COD为238 mg/L、色度为50倍，COD去除率分别达78%以上，色度去除率达72%以上。微波辅助Fenton法比单独Fenton法对中药废水的COD、色度去除率高，反应时间短，从而水力停留时间短，需要的反应器容积小，节省基建投资费用。